影视特效制作需要哪些物理知识（二）之质量、阻力与场

二、物体的质量、密度、阻力与摩擦力

1 质量

质量的单位是千克, 由于1 千克与1 公斤相等, 因此很容易将质量理解为重量, 事实上这两者的确有着成正比的关系, 但在物理学中, 质量是描述物体惯性的性质, 也就是指一个物体在不受外力时保持匀速运动的趋势。

反过来, 重量是指带有一定质量的物体在引力场中所受的力。

当物体受力时, 质量代表对于改变物体运动状态的抵抗程度。也称作惯性质量, 它可以通过测量给物体施加的力导致的加速度来进行测定。施以同样大小的力, 惯性质量较小的物体会比惯性质量较大的物体获得更大的加速度。因此质量较大的物体惯性较大。根据公式总结出来就是F=ma, 质量m 为1 千克的物体在受到1 牛顿的力时, 获得的加速度是1 米每平方秒, 约是重量加速度的十分之一。

平时大家玩的台球撞击受到的力量是来自于物体质量带来的惯性力量和重量不同, 它们没有被从与地球引力相反的方向移开, 如所示。

重量是为了支持一个重力场中的物体所需要的力球的重力场使地球表面附近的物体都有重量, 短距离之内的重力场变化很小, 地球表面各处的重力场也是几乎一致的; 因此当一个物体从一个地方移动到另一个地方的时候它的变化非常小是重量被定义为一种物体的基本属性, 例如, 埃及早期使用的平就是用来测量重量单位用的器材, 如图所示。

了解质量和重量的区别是为了在制作影视特效镜头的过程中方便地了解动力学实验中质量和重量的运用, 为动力学解算做好准备, 因为在三维环境中将物体从平面向上提升, 我们只能过手动调节物体y 成轴向上的位移来实现, 而下落却可以通过设置重力场来实现, 通过计算物体的质量和加速度来获得模拟真实世界中物体掉落的效果, 实际拍摄物体从高处落下的效果如图所示。

高处落下一个纸箱和从桌子上拿起一个易拉罐松手都是可以轻而易举实现的实验内容, 将这整场景拍摄下来, 利用手中的三维软件进行模拟，帮助我们更多地了解物体的物理性质, 以及更好地了解维软件中动力学参数的准确性。在这整个实验的过程中要将实验数据尽可能详地记录和分析。

2 密度

密度表示为单位体积的质量, 是物体质量与体积的比值用p 表示, 公式为p=m/v

m 为物体质量,V 为体积。密度用国际单位制表示是kg/m3, 物体的密度可以随着压强和温度的变化而变化,气体密度的变化最为明显通常计算气体的密度只列出标准状况或者常温需压下的数值, 液体的密度基本与温度和压强无关, 而与液体中溶解的物质浓度无关。

无论是气体的密度还是液体的密度, 在模拟物理效果时都对我们三维软件中能够形成的形态非常重要。气体的密度虽然在自然环境下受到温度的影响变化较大, 在三维环境下, 气体受到温度的影响在流体解算的过程中也能够看到, 而密度对液体效果的模拟解算就更加重要。

3 阻力

阻力又称拖曳力, 是物体在流体中相对运动所产生的与运动方相反的力。

公式是( 拖曳力D)=(1/2)( 拖曳系数c( 空气密度o)（有效截面积A）【（相对速度v）乘以2】前面所说的液体在密度较高的情况下发生变形的时候将会明显看到, 变形受到阻力的影响, 如泥浆等的效果, 而没有黏性的流体则不会有任何阻力。阻力会明显影响到液体的流动状态力较高时, 液体流动的速度会很慢,会分层流动, 互不混合或者混合得较慢。如果液体流动的速度增加, 流动越来越快, 液体会出现波动性的摆动。在我们向杯子当中频倒液体时经常会看到这种现象, 间杯中倒水的流动形态参考如图所示。

当流动速度继续增加, 达到流线不能清楚分辨的时候会出现很多漩涡, 这就是满流, 也就是我们通常通过扰动和紊乱数值的添加模拟出的效果。

4 摩擦力

摩擦力是指两个表面接触的物体做相对运动时互相施加的种力。广义地, 物体在液体和气体中运动时也受到摩擦力。

摩擦力与相互摩擦的物体有关, 它不像其他力那样精确, 通常只有在忽略摩擦力的情况下人们才能引出力学中的基本定律比如当你早上起床身体与床单接触并产生摩擦力。身体向床的某个方向运动的力大于摩擦力,因此我们可以顺利下床, 但床单受到摩擦力的影响会产生变形。

由于在三维场景中总有一些因素我们没有分析到, 或是如摩擦力这类参数很难给出精准的数值来产生理想的效果, 所以在三维软件中需要根据不同物体的质量、密度, 阻力, 摩力等数值反复调试。在调试过程中要将相关的参数进行记录, 以作为今后测试结果的参照。通过反复的实验技到能够尽可能接近真实场景的数值变化。

三、场对物体运动的影响

在三维环境中无法获得和真实自然场景完全相同的力的分析与参考, 因为三维场景中很难制作成和真实场景环境一致的复杂程度, 即使我们创建小范围小规模的解算内容, 我们要花费大量的时间和精力来建设模拟场景的外部环境, 而且这样做的效果并不明显。于是大多数三维场景环境的动力学解算只针对指定物体进行动力学解算，其中很多数据虽然在物体的参数选项中添加, 但是还需要助一整对三维场景中物体模拟环境范围的设置才能获取较为真实的解算效果。场是在三维特效软件中驱动粒子、刚体和柔体产生运动的力量, 也是我们控制物体运动范围中其受影响因素的主要方式。在三维软件中进行动力学解算经常使用的场如下：

(1) 空气场: 用于模拟空气流动产生的力的作用。

风场: 可以模拟自然环境中风吹的效果和气流效果。

风扇场: 可以模拟物体在扇形区域中受到的风力效果。

(2) 拖曳场: 可以模拟物体受到摩擦力和阻力的效果。

(3) 重力场: 用于模拟地球的重力, 重力场沿固定方向以固定参数改变物体的运动速度, 如果重力设置为负值, 则产生反方向的作用。

(4) 牛场: 可以产生符合万有引力定律的吸引力。牛顿场与两体质量的乘积成正比; 与两个物体的距离成反比。

(5) 放射场: 一种镜像排斥力, 可以使受力物体产生由一点向外向方向移动。

(6) 扰乱场: 能使受作用的粒子或物体产生无规则的运动, 适合无规律的随机动画。

(7) 统一场: 可以对作用物体在某个方向上产生作用力, 统一场体在力场的作用方向上产生匀速运动。

(8) 漩涡场: 使被影响物体沿力场的中心做圆环状抛射运动, 使粒产生润效果。

(9) 体积轴场: 可以在体积空间内按不同的方向为作用物体施加力，正是这种场作用在各类物体上( 粒子、刚体、流体), 取得相对真实的解算效果。